Hidrológiai Közlöny, 2018 (98. évfolyam)
2018 / 3. szám - SZAKCIKKEK - Somlyódy László: Vízminőségi modellek és csapdák
12 Hidrológiai Közlöny 2018. 98. évf. 3. sz. révén mondható. Egyszerű példa erre Huysmans és gű környezetre az advekció és a diffúzió relatív szerepét vizs- Dassargues munkája (2004), akik alacsony áteresztőképessé- gálták analitikus megoldás és a Peclet-szám segítségével. 3. táblázat. Dimenziótlan mennyiségek különböző vizekre (r = 0,1/nap) Table 3. Dimensionless figures for certain water bodies (r=0.1 /day) (Jelölések:L-azelkeveredésrejellemzőhossz,u-jellemzősebesség, D-jellemző turbulens diffúziós tényező, Dau ésDa^-Damköhler-számok, Pe-Peclet- szám, PFR-plug flow reactor, CMR- completely mixed reactor. Érzékenység U-ra és D-re:, Min-az átlag ötödé, illetve tizede, Max-az átlag két- ____________________________szerese, illetve tízszerese.)____________________________ Víztest L (m) u (m/s) Dx fm2/sf Daxu (-) Daxd (-) Pex (-) 1. Balaton 8000 0,05 1 0,185 74,1 400 Min.0,01 0,1 0,925 740,7 800 Max.0,1 10 0,093 7,41 80 2. Keszthely 4000 0,05 1 0,093 18,5 200 Min.0,01 0,1 0,46 185,1 400 Max.0,1 10 0,046 1,85 40 3. Marina Bay 1000 0,01 0,1 0,12 12,0 100 4. Erie-tó 105 0,05 20 2,32 578,7 250 5a Duna (x) 105 1 1 0,12 1 200 105 5bDuna(y) 500 0,1 0,1 0,0058 2,9 500 A MODELLALKOTÁS ÉS AZ ELŐREJELZÉS PROBLÉMÁI A kérdés az, modellünk képes-e leírni a változásokat a vízfolyás állapotában, amennyiben a szennyezés, a vízhozam, a morfológia vagy más változik. Ilyen esetben a paraméterek, amelyeket a megelőző feltételekhez illesztettünk, minden bizonnyal módosulnak. Ha a modell, ahogy ez ma még a legtöbb esetben fennáll, nem rendelkezik fenomenológiai struktúrával a paraméteriek) korrekciójához, ami tükrözné a folyórendszer változását, alkalmatlan lesz az előrejelzésre. Klasszikus példa, amire már hivatkoztunk: valamely térségben a szennyvizek másodlagos tisztítást kapnak (Reichert és társai 2001). A „házi feladat” egyszerűnek tűnik, megválaszolni azt a kérdést, mi lesz az intézkedések hatása? De „baj” van, mert a standard vízminőségi modellek nem képesek megmondani, hogyan változik a fény behatolása a tisztább elfolyó víz eredményeként, illetve az üledék oxigénigénye az iszapbank kimerülése miatt. Ugyancsak nem írják le a folyó átmenetét anaerobból aerobba, sem a denitrifikáció megszűnését. A denitrifikáció elsősorban anoxikus vízterekben és az üledékben következik be, ezért a sebessége erősen szennyezett vízfolyásokban nagyobb, mint tisztábbakban. Amennyiben csökkentik a szennyvíztelep szervesanyag-ter- helését, anélkül, hogy növelnék a denitrifikációs képességet, a befogadó nitrogén terhelése nőni fog. Ismerős, ugye? Ez ismét a 3. csapda. Vagy inkább potenciális csapdák sorozata. És ismét az üledék: a folyamatok számszerűsítése az üledék modellezése nélkül nem lehetséges. Ismételten hangsúlyozzuk, a modellalkotásnál az egyik fontos felismerés az, hogy a (2) transzportegyenlet tagjai eltérő diszciplínákhoz tartoznak, eltérő tudásszinttel. Az egyik csoportot az advekció és a turbulens diffúzió (és ezek hidraulikai háttere) határozza meg, a másikat az átalakulásokat kiváltó, túlnyomóan biológiai és kémiai folyamatok képezik. Ez utóbbi területen ismereteink gyengébbek, és ezért nagyobb mértékben kényszerülünk az adatokra támaszkodni. Hipotéziseket állítunk fel, részfolyamatokat vizsgálunk laboratóriumban és a terepen, majd megkíséreljük a reakciókinetikai modellek azonosítását, kalibrálását, igazolását. Az eljárás iteratív jellegű: kudarc esetén módosítjuk a hipotéziseket és ismételjük az eljárást, amig engedik. A vízminőség területén a legtöbb esetben szere- tünk/kényszerülünk hosszabb időszakokat, évet, éveket vagy évtizedet szimulálni, amire a hidraulikai gyakorlatban nincsen szükség. Általában valamely kiválasztott év szolgál a kalibrálásra, mig egy ettől független az igazolásra (validáció). A paramétereket érzékenységvizsgálat és bizonytalansági elemzések bevonásával becsüljük. Ezekre a feladatokra speciális rendszerelméleti módszerek állnak rendelkezésre, amelyek szerves részei a vízminőségi modellezésnek és a szoftverfejlesztésnek. A hidrodinamikai történéseket a ma informatikájára és numerikus módszereire alapozva 2D-ben vagy 3D-ben is hatékonyan tudjuk kezelni. Örömünk azonban nem tart sokáig, hiszen hamar felismerjük, hogy a vízminőségi mintavételi helyek száma tavanként nem több mint mondjuk 10, kiépített állomásról nem is beszélve. Óriási szakadék lebeg a három terület között, amelyeket az advekció és a diffúzió részéről a nagyszámú térbeli pont, míg a reakciók vonatkozásában a nemlinearitások és az állapotváltozók nagy száma jellemez. Eközben a megfigyelések kis számával szembesülünk. A tér- és az időléptékek is számottevően eltérőek, és mindez - különösen az ökológia vonalán - gátat jelenthet egyik fő célunk megvalósításában, a megismerés elmélyítésében. A hidrodinamika parciális differenciálegyenletei paradox módon kizárhatják a rendszerelméleti módszerek alkalmazását. Nem kívánt konfliktus jöhet létre a különböző hátterű szereplők és az általuk követett szemlélet - ökológiaorientált és transzportorientált - között (Somlyódy 1982), megnehezítve az interdiszciplináris teammunka kialakítását. És az örök kérdés: egyszerű vagy bonyolult modell legyen? Milyen hipotézisekkel éljünk? Sok térbeli szegmens és finom felbontás időben? Ha utóbbi, áll-e rendelkezésre elégséges adat? Ha mégsem, hogyan kezeljük a bizonytalanságokat? Tudunk-e intelligens válaszokat adni? Mást, minthogy „nem tudom...”. A sikeres kalibrálást és igazolást — vágyálmunk „netovábbja” - követheti az alkalmazás: stratégiák vízmi
